JP2015137996A - 計測システム、ファブリーペロー共振器及び計測方法 - Google Patents

計測システム、ファブリーペロー共振器及び計測方法 Download PDF

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Hirokazu Matsumoto
弘一 松本
石井 雅文
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雅文 石井
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Abstract

【課題】利便性が高く、良好なSN比で精度良く計測を行うことが可能な計測システム、ファブリーペロー共振器及び計測方法を提供する。【解決手段】計測システム10は、低コヒーレンス光を射出する低コヒーレンス光源12と、周波数に関して離散的な光透過帯域を持ち、低コヒーレンス光を受光して特定の光周波数成分のみを透過するエタロン16と、エタロン16を透過した光周波数成分を使用する計測器14とを備える。エタロン16は、第1の取り付け部31を介して低コヒーレンス光源12に接続され、第2の取り付け部32を介して計測器14に接続される。低コヒーレンス光源12から発せられる低コヒーレンス光はエタロン16の光共振部30に導かれ、光共振部30から射出され特定の光周波数成分は計測システム10に導かれる。【選択図】図9

Description

本発明は計測器への光周波数成分の供給手法に係り、特に低コヒーレンス光に基づいて所望の周波数の光成分のみを計測器に供給する手法に関する。
測長等の各種の計測において光の干渉を利用した様々な手法が提案されており、工業分野や医療分野において広く活用されている。例えば白色光やレーザ光の干渉を利用する干渉計は、測定対象までの距離をナノメートルのオーダーで精度良く測定することが可能である。また光干渉断層撮影法(OCT:Optical Coherence Tomography)では、光の干渉を利用した患部の断層画像を取得することが可能である。
例えば低コヒーレンス長の光を利用した二光束干渉計では、時間コヒーレンス性の低い光源を使用し、測定光の光路長と参照光の光路長とが等しい場合は干渉縞の振幅が最大になり、測定光及び参照光の光路長差が大きくなるに従って干渉縞の振幅は徐々に小さくなることを利用した計測が行われる。したがって二光束干渉計では、干渉縞パターンのエンベロープから最大振幅を示す干渉縞を決定することで、精密な位置決め等の計測を行うことが可能である。
二光束干渉計の応用例として、タンデム低コヒーレンス干渉を利用したタンデム干渉計が知られている(特許文献1参照)。タンデム干渉計は、低コヒーレンス干渉を利用した参照干渉計及び測定干渉計を有し、光源、参照干渉計、測定干渉計及び光検出器の順に配置される。このタンデム干渉計では、参照干渉計(又は測定干渉計)における参照光と測定光との光路長差が低コヒーレンス光のコヒーレンス長よりも長いと、参照干渉計(又は測定干渉計)だけでは干渉が生じない。したがって参照干渉計及び測定干渉計における参照光と測定光との光路長差は、低コヒーレンス光のコヒーレンス長よりも長く設定される。この場合、参照干渉計からの出力光を測定干渉計に入射させると「参照干渉計における参照光と測定光との光路長差」と「測定干渉計における参照光と測定光との光路長差」とが等しい時のみ、通常の単一干渉計(二光束干渉計)と同様の干渉縞が形成されるため、精密な位置決め等の計測を行うことが可能である。
特開2009−115486号公報
上述の二光束干渉計(低コヒーレンス干渉計)は、空間位置の精密計測に関しては有効であるが、測定光の光路長と参照光の光路長との差がゼロの場合においてしか干渉縞が形成されず、光路長差がゼロの場合のみしか計測ができないため不便である。
また上述のタンデム干渉計は、測定干渉計における測定光の光路長と参照光の光路長との差がゼロ以外の場合にも活用可能であり利便性が高いが、タンデム干渉計の検出信号のSN比(Signal−to−Noise ratio)は通常の二光束干渉計と比べて8分の1程度に低下する。
したがって、利便性が高く且つ良好なSN比を有する新たな測定手法の提案が望まれている。
本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、利便性が高く、良好なSN比で精度良く計測を行うことが可能な光干渉計測手法を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、低コヒーレンス光を射出する低コヒーレンス光源と、周波数に関して離散的な光透過帯域を持ち、低コヒーレンス光を受光して特定の光周波数成分のみを透過するファブリーペロー共振器と、ファブリーペロー共振器を透過した特定の光周波数成分を使用する計測器とを備える計測システムに関する。
本態様によれば、低コヒーレンス光に基づいて、離散的な周波数帯域の光周波数成分を計測器に供給することができる。これにより、低コヒーレンス光源を用いる場合であっても、離散的な周波数帯域の光周波数成分を利用した計測を行うことができる。このように本態様の計測システムは、低コヒーレンス光を利用した計測器に適用可能であるため利便性が高く、また良好なSN比で精度良く所望の計測を行うことができる。
なお、ここでいう「低コヒーレンス光(low coherence light)」は、波長スペクトルバンド幅の広い光全般を含みうるものであり、例えば可干渉距離が短い白色光を低コヒーレンス光として使用可能である。また低コヒーレンス光源は、低コヒーレンス光を射出可能な任意の構成を採ることが可能であり、例えば白熱灯、アーク灯、発光ダイオード(LED)、スーパールミネセントダイオード(SLD)、多モードレーザダイオード等を低コヒーレンス光源として好適に使用することができる。
また「計測器」は、周波数に関して離散的な帯域を持つ光成分を用いて計測可能な機器類であれば特に限定されず、例えば測長デバイス、位置決めデバイス、光干渉画像取得デバイス、等を「計測器」として使用することができる。
望ましくは、周波数に関して隣接するファブリーペロー共振器の光透過帯域の間隔は一定である。
本態様によれば、周波数に関して一定間隔の特定の光周波数成分を計測器に供給することができる。
なお周波数に関して一定間隔の「特定の光周波数成分」の一例として、等間隔に並ぶ多数の光周波数モード列によって構成されるいわゆる「光コム」があり、この光コムの光周波数モード列はオフセット周波数及び繰り返し周波数によって表される。
望ましくは、オフセット周波数をfとし、繰り返し周波数をfrepとし、0以上の整数をNとすると、ファブリーペロー共振器の光透過帯域は、f=f+N×frepで表される複数の周波数を含む。
本態様によれば、光コムと同様の周波数帯域を持つ特定の光周波数成分がファブリーペロー共振器から射出される。したがって、光コムを用いた計測と同様の計測を、低コヒーレンス光源を用いて計測器で行うことができる。
望ましくは、ファブリーペロー共振器は複数設けられ、当該複数のファブリーペロー共振器はそれぞれ異なる光透過帯域を有し、計測器は、複数のファブリーペロー共振器のうちのいずれか1つを透過した前記特定の光周波数成分を使用する。
本態様によれば、周波数帯域の異なる複数種類の「特定の光周波数成分」が複数のファブリーペロー共振器によって生成可能であり、計測器に供給される光成分は、その複数種類の特定の光周波数成分の中から選ばれる。したがって、計測器には複数種類の特定の光周波数成分を供給することが可能となり、計測器では様々な周波数特性を持つ光周波数成分を利用して適応性の高い計測を行うことができる。
望ましくは、計測システムは、複数のファブリーペロー共振器の各々に光路を介して接続されるスイッチデバイスであって、光路を切り換えて複数のファブリーペロー共振器のうちのいずれか1つに低コヒーレンス光を誘導して受光させるスイッチデバイスを備える。
本態様によれば、低コヒーレンス光源からの低コヒーレンス光を受光するファブリーペロー共振器をスイッチデバイスによって切り換えることができ、複数種類の「特定の光周波数成分」の中から選ばれる特定種類の光周波数成分を計測器に簡便に供給することができる。
なおスイッチデバイスの構成は特に限定されず、光路を切り換えて所望のファブリーペロー共振器に低コヒーレンス光を誘導することができる任意の構成をスイッチデバイスは採りうる。
望ましくは、ファブリーペロー共振器は、離間して配置される第1の反射部及び第2の反射部と、第1の反射部と第2の反射部との間の反射域とを有し、第1の反射部は低コヒーレンス光を透過し、第2の反射部は特定の光周波数成分のみを透過する。
本態様によれば、低コヒーレンス光源からの低コヒーレンス光は第1の反射部を透過して反射域に導入され、離間配置される第1の反射部及び第2の反射部によって形成される共振部は狭帯域通過フィルタとして機能し、特定の光周波数成分のみが第2の反射部から射出される。
なお「反射域」の構成要素は特に限定されず、石英などの固体の媒質によって反射域を構成するソリッドエタロンによってファブリーペロー共振器を構成してもよいし、空間(エア)によって反射域を構成するエアギャップエタロンによってファブリーペロー共振器を構成してもよい。
望ましくは、ファブリーペロー共振器は、第1の光誘導路が設けられる第1の取り付け部と、第2の光誘導路が設けられる第2の取り付け部とを有し、第1の取り付け部を介して低コヒーレンス光源に接続され、第2の取り付け部を介して計測器に接続され、第1の光誘導路は低コヒーレンス光源からの低コヒーレンス光を第1の反射部に誘導し、第2の光誘導路は第2の反射部を透過した特定の光周波数成分を計測器に誘導する。
本態様によれば、低コヒーレンス光源からの低コヒーレンス光を第1の光誘導路を介してファブリーペロー共振器の第1の反射部に確実に誘導し、またファブリーペロー共振器(第2の反射部)からの特定の光周波数成分を第2の光誘導路を介して計測器に確実に誘導することができる。
なお、ファブリーペロー共振器の第1の取り付け部は直接的又は間接的に低コヒーレンス光源に接続されればよい。したがって低コヒーレンス光源からの低コヒーレンス光がファブリーペロー共振器(第1の反射部)に供給されるのであれば、低コヒーレンス光源と第1の取り付け部(ファブリーペロー共振器)との間に他の部材が介在してもよい。同様にファブリーペロー共振器の第2の取り付け部は直接的又は間接的に計測器に接続されればよい。したがってファブリーペロー共振器(第2の反射部)からの特定の光周波数成分が計測器に供給されるのであれば、第2の取り付け部(ファブリーペロー共振器)と計測器との間に他の部材が介在してもよい。
本発明の他の態様は、低コヒーレンス光源と計測器とに接続されるファブリーペロー共振器であって、低コヒーレンス光源に接続される第1の取り付け部と、計測器に接続される第2の取り付け部と、周波数に関して離散的な光透過帯域を持ち、低コヒーレンス光源からの低コヒーレンス光を受光して特定の光周波数成分のみを透過する光共振部とを備えるファブリーペロー共振器に関する。
本態様によれば、低コヒーレンス光源と計測器とにファブリーペロー共振器を簡便に接続可能であり、例えば既存の低コヒーレンス干渉計に対しても好適に取り付けることが可能である。本態様のファブリーペロー共振器を低コヒーレンス光源及び計測器に取り付けることで、良好なSN比を保ちつつ精度良く所望の計測を行うことができる。
本発明の他の態様は、低コヒーレンス光源から低コヒーレンス光を射出するステップと、周波数に関して離散的な光透過帯域を持つファブリーペロー共振器に、低コヒーレンス光を入射して特定の光周波数成分をファブリーペロー共振器から射出するステップと、ファブリーペロー共振器から射出した特定の光周波数成分を使用して計測を行うステップとを含む計測方法に関する。
本発明によれば、低コヒーレンス光に基づいて離散的な周波数帯域の光周波数成分を計測器に供給することが可能となる。したがって、既存の低コヒーレンス光源及び計測器に本発明に係るファブリーペロー共振器を適用することができるため利便性が高く、簡素な装置構成によって良好なSN比で精度良く所望の計測を行うことができる。
一般的な低コヒーレンス干渉を利用した計測システムの概念図である。 本発明の一実施形態に係る計測システムの概念図である。 エタロンの構成例を示す側面図である。 エタロンの透過特性の一例を示すグラフである。 エタロンの透過特性の一例を示す図であり、横軸(X軸)は周波数を表し、縦軸(Y軸)は透過率を表す。 図5に示すエタロンの透過特性において透過率のピークを示す周波数を「周波数(X軸)−電場(Y軸)」に基づいて表した図である。 エタロンから射出される特定波長光(透過特性)を「時間(X軸)−電場(Y軸)」に基づいて表した図である。 エタロンの具体的な構成例を示す側面図である。 第1実施例に係る計測システムの構成を示す概略図である。 第1実施例に係る計測システムを適用したマイケルソン干渉計の構成例を示す。 第2実施例に係る計測システムの構成を示す概略図である。 第2実施例に係る計測システムを適用したマイケルソン干渉計の構成例を示す。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、一般的な低コヒーレンス干渉を利用した計測システム(低コヒーレンス干渉計測システム)の概念図である。図2は、本発明の一実施形態に係る計測システムの概念図である。
一般的な計測システム10は、図1に示すように低コヒーレンス光源12が発する低コヒーレンス光Lが計測器14に送られて各種の計測が行われる。これに対して本例の計測システム10は、図2に示すように、低コヒーレンス光源12が発する低コヒーレンス光Lがエタロン16によって受光され、エタロン16から射出される特定波長光Sが計測器14に送られて各種の計測が行われる。
低コヒーレンス光を射出する低コヒーレンス光源12は特に限定されず、コヒーレンス長が数μm〜数百μmの範囲にある多波長光を低コヒーレンス光Lとして射出しうる各種の光源を、低コヒーレンス光源12として使用しうる。したがって例えば、白熱灯、アーク灯、発光ダイオード(LED)、スーパールミネセントダイオード(SLD)、多モードレーザダイオード等を低コヒーレンス光源12として好適に使用することができる。
エタロン16は、いわゆるファブリーペロー共振器によって構成され、光の周波数に関して離散的な光透過帯域を持ち、低コヒーレンス光を受光して特定の光周波数成分のみを透過する。エタロン16の構成例の詳細については後述する(図3参照)。
計測器14は、エタロン16(ファブリーペロー共振器)を透過した光周波数成分を使用して計測を行うが、計測器14において行われる計測対象は特に限定されない。例えば、距離計測、位置決め計測、OCT等における生態断層画像取得のための計測、等の各種の計測を、計測器14において行うことが可能である。
図3は、エタロン16の構成例を示す側面図である。
本例のエタロン16は、干渉間距離が固定されたファブリーペロー干渉系であり、離間して配置される一対の反射プレート(反射部)22(第1の反射プレート22A及び第2の反射プレート22B)と、第1の反射プレート22Aと第2の反射プレート22Bとの間の反射域24とを有する。
第1の反射プレート22Aは、低コヒーレンス光源12からの低コヒーレンス光Lを透過するが、第2の反射プレート22Bからの光は反射する。一方、第2の反射プレート22Bは特定の光周波数成分のみを透過し、他の周波数帯域の光成分を反射する。
反射域24は、第1の反射プレート22Aと第2の反射プレート22Bとの間で入射光が反射を繰り返す領域であり、反射域24を構成する要素は特に限定されない。例えば、反射域24が空間(エア)によって構成されるエタロン16はエアギャップエタロンと呼ばれ、反射域24が固体(石英等)によって構成されるエタロン16はソリッドエタロンと呼ばれる。
本例のエタロン16に光(低コヒーレンス光L)が入射すると、対向する反射部22間で入射光は反射を繰り返し、干渉効果によって特定の波長成分(周波数成分)が強められて第2の反射プレート22Bを透過してエタロン16から射出する。エタロン16から射出される光の特性は、FSR(自由スペクトル領域)とフィネス(Finesse)により特定される。
図4は、エタロン16の透過特性の一例を示すグラフである。図4の横軸(X軸)はフリンジ次数(m、m+1、m+2)を示し、縦軸(Y軸)はエタロン16(第2の反射プレート22B)の透過率を示す。
周波数に関して隣接する「エタロン16(ファブリーペロー共振器)の光透過帯域」の間隔は一定である。すなわち、エタロン16(第2の反射プレート22B)の透過帯域の間隔(隣接する透過率ピーク周波数成分の間隔)を表す「自由スペクトル領域(FSR)」と透過ピークの半値全幅である「周波数分解能(FWHM)」とに基づいてエタロン16の特性が定まる。またフィネスFは「F=FSR/FWHM」によって表され、干渉縞の鋭さ(シャープネス)の程度を示す指標となる。
図5は、エタロン16の透過特性の一例を示す図であり、横軸(X軸)は周波数を表し、縦軸(Y軸)は透過率を表す。図5に示すように透過率のピーク(高透過率)を示す周波数は、離散的に出現し、隣接する透過率のピークの間隔はFSRに基づいて定められる。
図6は、図5に示すエタロン16の透過特性において透過率のピークを示す周波数を「周波数(X軸)−電場(Y軸)」に基づいて表した図である。
図6に示すように、オフセット周波数をfとし、繰り返し周波数をfrepとし、0以上の整数をNとすると、エタロン16の光透過帯域は「f=f+N×frep」で表される複数の光周波数成分を含み、それらの光周波数成分が透過率のピークを示す。
このようにエタロン16からの射出光は、「f=f+N×frep」で表される光周波数成分を含むため、一種の光コムとみなしうる。光コムは、一定の繰り返し周波数で決まる周波数間隔を持つ多波長(多周波数)の光成分を含み、光コムに含まれる光成分の周波数fは一般に「f=f+N×frep」で表される。したがって本例のエタロン16は、一種の光コムとして機能しうる特定波長光Sを透過し、計測器14に向かって射出する。
図7は、エタロン16から射出する特定波長光S(透過特性)を「時間(X軸)−電場(Y軸)」に基づいて表した図である。エタロン16からの特定波長光Sは、時間軸上で一定の周期Tでパルス列Pが現れ、この周期Tは「T=1/frep」で表される。
本例の計測システム10(図2参照)では、このエタロン16からの特定波長光Sの周期性を利用することで、光コムを利用した計測と同様の効果を得ることが可能になる。とりわけ一般的な計測システム10の低コヒーレンス光源12及び計測器14(図1参照)の各々に対して本態様のエタロン16を着脱自在とすることで、一般的な計測システム10の機能を非常に簡便に向上させることができる。
図8は、エタロン16の具体的な構成例を示す側面図である。
本例のエタロン16(ファブリーペロー共振器)は、第1の光誘導路37が設けられる第1の取り付け部31と、第2の光誘導路38が設けられる第2の取り付け部32と、第1の取り付け部31と第2の取り付け部32との間に設けられる光共振部30とを有する。
第1の取り付け部31は、低コヒーレンス光源12との接続端子を構成する第1の端子35と、第1の端子35と光共振部30とを連結する第1の中間支持部33と、光共振部30への導光路を形成する第1の光誘導路37とを有する。同様に、第2の取り付け部32は、計測器14との接続端子を構成する第2の端子36と、第2の端子36と光共振部30とを連結する第2の中間支持部34と、光共振部30からの導光路を形成する第2の光誘導路38とを有する。第1の端子35及び第2の端子36は任意の固定構造を有し、それぞれ低コヒーレンス光源12及び計測器14に対して的確に固定可能となっている。
図8に示されるエタロン16は、第1の取り付け部31を介して低コヒーレンス光源12に接続され、また第2の取り付け部32を介して計測器14に接続される。低コヒーレンス光源12、エタロン16及び計測器14が接続された状態で、低コヒーレンス光源12における低コヒーレンス光Lの光路(図示省略)と第1の光誘導路37とが連結され、また第2の光誘導路38と計測器14における特定波長光Sの光路(図示省略)とが連結される。
一方、光共振部30は図3に示す一対の反射部22(第1の反射プレート22A及び第2の反射プレート22B)及び反射域24を有し、周波数に関して離散的な光透過帯域を持つ。本例の光共振部30は、低コヒーレンス光源12から第1の光誘導路37を介して低コヒーレンス光Lを受光し、特定の光周波数成分(特定波長光S)のみを第2の光誘導路38を介して計測器14に送る。
すなわち、低コヒーレンス光源12からの低コヒーレンス光Lは第1の光誘導路37を介して光共振部30に入射し、第2の光誘導路38を介して光共振部30から計測器14に特定波長光Sが入射する。より具体的には、第1の光誘導路37は低コヒーレンス光源12からの低コヒーレンス光Lを第1の反射プレート22A(図3参照)に誘導し、第2の光誘導路38は第2の反射プレート22B(図3参照)を透過した光周波数成分(特定波長光S)を計測器14に誘導する。
このように本例のエタロン16は、第1の取り付け部31及び第2の取り付け部32を介して簡便に低コヒーレンス光源12及びエタロン16に対して接続可能である。そして光共振部30は、第1の取り付け部31を介して低コヒーレンス光源12から低コヒーレンス光Lを受光し、第2の取り付け部32を介して計測器14へ特定波長光Sを射出する。
以下、本例のエタロン16の応用例について説明する。
<第1実施例>
本例は、単一のエタロン16を計測システム10に対して取り付ける態様を示す。
図9は、第1実施例に係る計測システム10の構成を示す概略図である。本例では、計測システム10の光源側光路42に対してエタロン16の第1の取り付け部31が接続され、計測システム10の計測器側光路44に対してエタロン16の第2の取り付け部32が接続される。
すなわち、計測システム10の低コヒーレンス光源12とエタロン16とが光源側光路42及び第1の取り付け部31を介して接続され、また計測器14とエタロン16とが第2の取り付け部32及び計測器側光路44を介して接続される。
したがって低コヒーレンス光源12で発せられた低コヒーレンス光Lは、光源側光路42及び第1の取り付け部31(第1の光誘導路37(図8参照))を介して光共振部30に入射する。また光共振部30から射出される光周波数成分(特定波長光S)は、第2の取り付け部32(第2の光誘導路38(図8参照))及び計測器側光路44を介して計測器14に入射する。計測器14は、これらの一連のステップを経て入射される特定波長光Sを用いて任意の計測を行う。
図10は、第1実施例に係る計測システム10を適用したマイケルソン干渉計の構成例を示す。図10に示す計測システム10は、低コヒーレンス光源12と、計測器14と、低コヒーレンス光源12と計測器14との間に設けられるエタロン16とを備える(図2参照)。計測器14は、ビームスプリッタ52、測定対象54、参照ミラー56及び光検出器58を含む。
低コヒーレンス光源12から射出される低コヒーレンス光Lはエタロン16に入射し、エタロン16から特定波長光Sが射出される。エタロン16から射出された特定波長光Sはビームスプリッタ52によって二等分され、分割された特定波長光Sの一方はビームスプリッタ52から測定対象54に向かって進行し、分割された特定波長光Sの他方はビームスプリッタ52から参照ミラー56に向かって進行する。
測定対象54に照射される特定波長光Sは、測定対象54によって反射され、測定光Mとして測定対象54からビームスプリッタ52に向かって進行する。測定対象54からの測定光Mは、ビームスプリッタ52によって反射され、ビームスプリッタ52から光検出器58に向かって進行し、光検出器58によって受光される。
一方、参照ミラー56に照射される特定波長光Sは、参照ミラー56によって反射され、参照光Rとして参照ミラー56からビームスプリッタ52に向かって進行する。参照ミラー56からの参照光Rは、ビームスプリッタ52を透過して光検出器58に向かって進行し、光検出器58によって受光される。
光検出器58は、参照ミラー56からの参照光R及び測定対象54からの測定光Mを受光し、参照光R及び測定光Mの干渉状態を検出する。
エタロン16を含まない一般的な計測システム10(低コヒーレンス光を測定対象54及び参照ミラー56に照射するマイケルソン干渉計)では、測定光Mの光路長と参照光Rの光路長とが等しい場合にのみ参照光R及び測定光Mが干渉して光強度(電場)が大きくなる。これは、低コヒーレンス光はコヒーレンス長(可干渉距離)Δlcが非常に短く時間コヒーレンスが極めて低く、測定光Mの光路長と参照光Rの光路長差が「Δlc/2」の範囲内でのみ測定光Mと参照光Rとが相互に干渉し合うことに起因する。
一方、図10に示すエタロン16を含む本例の計測システム10では、「光コム状の特定波長光S(図5及び図6参照)」が測定対象54及び参照ミラー56に照射されるため、「低コヒーレンス光」が測定対象54及び参照ミラー56に照射される一般的な計測システム10に比べてワーキングディスタンス(計測可能範囲)が拡大する。
すなわち、エタロン16から射出される光コム状の光信号を利用した計測システム10のワーキングディスタンスは、エタロン16のFSR(図4参照)に応じて定まる。より具体的には、エタロン16を含まない一般的な低コヒーレンス光を利用した計測システム10によって計測可能な「測定光Mの光路長と参照光Rの光路長とが等しくなる測定対象54の位置(以下「ゼロ点位置」とも呼ぶ)」に加え、ゼロ点位置から「n×c×T/2=n×c/(2×frep)(ただし「n」は1以上の整数を表し、「c」は特定波長光Sの速度を表し、「T」は特定波長光Sの時間軸上におけるパルス列Pの周期(図7参照)を表し、「frep」は特定波長光Sの繰り返し周波数(図6参照)を表す)」だけ離れた位置の計測が可能となる。
したがって図10に示す本例の計測システム10によれば「L=L+N×c/(2×frep)(ただし「L」はゼロ点位置を表し、「N」は0以上の整数を表し、「c」は特定波長光Sの速度を表し、「frep」は特定波長光Sの繰り返し周波数(図6参照)を表す)」によって表される離散的な位置L毎の計測が可能になる。ここでいう離散的な位置Lは、測定対象54におけるゼロ点位置Lから、特定波長光Sが測定対象54に向かう方向において「N×c/(2×frep)」だけ離れた位置を示す。
これは、エタロン16から射出される特定波長光Sは時間軸上で複数のパルス列Pを有すること(図7参照)によるものである。時間軸上で連続するn番目のパルス列P、n+1番目のパルス列P及びn+2番目のパルス列Pを想定した場合(ただし「n」は1以上の任意の整数を表す)、ゼロ点位置で反射された測定光Mと参照光Rとは、同じ次数のパルス列P同士が干渉し合う。また、測定光Mと参照光Rとの光路長差が「c×T/2=c/(2×frep)」となる位置で反射された測定光Mと参照光Rとは、1つ違いの次数のパルス列P同士(例えば、測定光Mのn+1番目のパルス列Pと参照光Rのn番目のパルス列P)が干渉し合う。同様に、測定光Mと参照光Rとの光路長差が「c×T=c/frep」となる位置で反射された測定光Mと参照光Rとは、2つ違いの次数のパルス列P同士(例えば、測定光Mのn+2番目のパルス列Pと参照光Rのn番目のパルス列P)が干渉し合う。このように、測定光Mと参照光Rとの光路長差が「N×c×T/2=N×c/(2×frep)(ただし「N」は0以上の整数を表す)」となる位置で反射された測定光Mと参照光Rとは干渉し合うため、本例の計測システム10によれば、上記の「L=L+N×c/(2×frep)」で表される離散的な位置L毎の計測が可能になる。
以上説明したように、低コヒーレンス光源12と計測器14との間にエタロン16を介在させ、エタロン16から射出される光コム状の特定波長光Sを利用した計測を行うことで、ワーキングディスタンス(計測可能範囲)を拡げることができる。特に本例のエタロン16は計測システム10(低コヒーレンス光源12及び計測器14)に対して着脱自在に設けられているため(図8参照)、エタロン16を含まない既存の計測システム10に対して本例のエタロン16を装着することで、ワーキングディスタンス(計測可能範囲)を簡便に拡げることができる。
また移動量が長い精密ステージは高価であるとともに移動に時間を要するが、本例のエタロン16(光ファイバーエタロン)は既存の低コヒーレンス干渉計に簡単に挿入可能であり、使用ステージの走査量(長さ)を極端に短くすることができる。
<第2実施例>
本例は、エタロン16(ファブリーペロー共振器)が複数設けられ、これらの複数のエタロン16はそれぞれ異なる光透過帯域(特にFSR)を有し、低コヒーレンス光源12からの低コヒーレンス光Lを受光させるエタロンが択一的に決められる。
図11は、第2実施例に係る計測システム10の構成を示す概略図である。なお、上述の第1実施例と同一の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本例では、それぞれエタロンが設けられた複数の光路が設けられ、低コヒーレンス光源12からの低コヒーレンス光Lを受光させるエタロンが択一的に決められる。すなわち、光源側光路42にはスイッチデバイス62が接続され、このスイッチデバイス62からは第1の光選択路65、第2の光選択路66及び第3の光選択路67が延在する。第1の光選択路65には第1のエタロン68が設けられ、第2の光選択路66には第2のエタロン69が設けられ、第3の光選択路67には第3のエタロン70が設けられている。第1の光選択路65、第2の光選択路66及び第3の光選択路67は、合流部64を介して計測器側光路44に接続される。
複数のエタロン68、69、70の各々に光路(光選択路65、66、67)を介して接続されるスイッチデバイス62は、光路を切り換え、複数のエタロン68、69、70のうちのいずれか1つに低コヒーレンス光を誘導して受光させる。すなわちスイッチデバイス62は、光源側光路42を介して受光した低コヒーレンス光源12からの低コヒーレンス光Lを、第1の光選択路65、第2の光選択路66及び第3の光選択路67の中から選択された光路に送る。
スイッチデバイス62において光路を選択する手法及び選択された光路に低コヒーレンス光Lを送る手法は特に限定されず、例えばユーザによって光路が選択され、その選択された光路に低コヒーレンス光Lがガイドされるように低コヒーレンス光Lの光路を切り換える構成をスイッチデバイス62は有することができる。
そして、スイッチデバイス62によって決められた光路に設けられたエタロン(第1のエタロン68、第2のエタロン69又は第3のエタロン70)は、低コヒーレンス光Lを受光して特定波長光Sを射出し、この特定波長光Sは合流部64及び計測器側光路44を介して計測器14に送られる。計測器14は、この「複数のエタロン68、69、70のうちのいずれか1つを透過した光周波数成分(特定波長光S)」を使用して計測を行う。
なお、第1のエタロン68、第2のエタロン69及び第3のエタロン70は上述の第1実施例と同様の構成を有し、第1の取り付け部31及び第2の取り付け部32(図8参照)を介して、それぞれ第1の光選択路65、第2の光選択路66及び第3の光選択路67に接続される。ただし、第1のエタロン68、第2のエタロン69及び第3のエタロン70は相互に光透過帯域(特にFSR)が異なる。
図12は、第2実施例に係る計測システム10を適用したマイケルソン干渉計の構成例を示す。なお図12の計測システム10において、上述の図10に示す計測システム10と同じ構成には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図12に示す計測システム10における低コヒーレンス光源12及び計測器14は、図10に示す計測システム10における低コヒーレンス光源12及び計測器14と同様の構成を有する。ただし本例の計測システム10は、低コヒーレンス光源12と計測器14との間にエタロン切り換え部72が設けられている。
エタロン切り換え部72は、上述のスイッチデバイス62、第1のエタロン68、第2のエタロン69、第3のエタロン70及び合流部64を有する。なお説明の便宜上、図12では、図11に示す第1の光選択路65、第2の光選択路66、第3の光選択路67等の図示を省略しているが、図12のエタロン切り換え部72も図11に示すこれらの構成要素を含む。
上述のように、低コヒーレンス光源12からの低コヒーレンス光Lの光路がスイッチデバイス62を介して選択され、選択された光路に設けられるエタロン(第1のエタロン68、第2のエタロン69又は第3のエタロン70)から特定波長光Sが射出されて計測器14(ビームスプリッタ52)に入射する。
本例の計測システム10では、第1実施例の計測システム10(図10参照)と同様に、ワーキングディスタンス(計測可能範囲)を簡便に拡げることができる。特に、第1のエタロン68、第2のエタロン69及び第3のエタロン70の光透過帯域(特にFSR)が相違し、「c×T/2=c/(2×frep)(ただし「c」は特定波長光Sの速度を表し、「T」は特定波長光Sの時間軸上におけるパルス列Pの周期(図7参照)を表し、「frep」は特定波長光Sの繰り返し周波数(図6参照)を表す)」がエタロン間で異なる。そのため、計測可能位置Lの離散度が第1のエタロン68、第2のエタロン69及び第3のエタロン70間で異なる。したがって、これらの複数のエタロン68、69、70の中から選択される所望のエタロンに低コヒーレンス光Lを受光させて特定波長光Sを計測器14に供給することにより、ユーザのニーズに応じた離散位置で計測が可能となる。
以上説明したように本実施例によれば、光透過帯域(FSR)の異なる複数のエタロン(光ファイバーエタロン)を用いることによって、複数パターンの離散位置に関する計測を行うことができる。したがって、光透過帯域(FSR)の異なるエタロンを多数設けることによって、所望空間位置における絶対的な計測が可能となる。
またスイッチデバイス62を用いて低コヒーレンス光Lの光路を切り替え可能とすることで、光信号の強度低下を防ぐことができる。
以上説明したように上述の実施形態のエタロン16を低コヒーレンス干渉計に適用することで、エタロン16のFSRに応じた干渉縞を形成することができ、通常のタンデム干渉計よりもSN比が良好になる。
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、任意の計測システム、計測方法及びファブリーペロー共振器に対して本発明を適用することが可能である。
10…計測システム、12…低コヒーレンス光源、14…計測器、16…エタロン、22…一対の反射部、22A…第1の反射プレート、22B…第2の反射プレート、24…反射域、30…光共振部、31…第1の取り付け部、32…第2の取り付け部、33…第1の中間支持部、34…第2の中間支持部、35…第1の端子、36…第2の端子、37…第1の光誘導路、38…第2の光誘導路、42…光源側光路、44…計測器側光路、52…ビームスプリッタ、54…測定対象、56…参照ミラー、58…光検出器、62…スイッチデバイス、64…合流部、65…第1の光選択路、66…第2の光選択路、67…第3の光選択路、68…第1のエタロン、69…第2のエタロン、70…第3のエタロン、72…エタロン切り換え部、L…低コヒーレンス光、S…特定波長光、M…測定光、R…参照光、T…周期、P…パルス列

Claims (9)

  1. 低コヒーレンス光を射出する低コヒーレンス光源と、
    周波数に関して離散的な光透過帯域を持ち、前記低コヒーレンス光を受光して特定の光周波数成分のみを透過するファブリーペロー共振器と、
    前記ファブリーペロー共振器を透過した前記特定の光周波数成分を使用する計測器とを備える計測システム。
  2. 周波数に関して隣接する前記ファブリーペロー共振器の光透過帯域の間隔は一定である請求項1に記載の計測システム。
  3. オフセット周波数をfとし、繰り返し周波数をfrepとし、0以上の整数をNとすると、前記ファブリーペロー共振器の光透過帯域は、f=f+N×frepで表される複数の周波数を含む請求項1又は2に記載の計測システム。
  4. 前記ファブリーペロー共振器は複数設けられ、当該複数のファブリーペロー共振器はそれぞれ異なる光透過帯域を有し、
    前記計測器は、前記複数のファブリーペロー共振器のうちのいずれか1つを透過した前記特定の光周波数成分を使用する請求項1〜3のいずれか一項に記載の計測システム。
  5. 前記複数のファブリーペロー共振器の各々に光路を介して接続されるスイッチデバイスであって、前記光路を切り換えて前記複数のファブリーペロー共振器のうちのいずれか1つに前記低コヒーレンス光を誘導して受光させるスイッチデバイスを備える請求項4に記載の計測システム。
  6. 前記ファブリーペロー共振器は、離間して配置される第1の反射部及び第2の反射部と、前記第1の反射部と前記第2の反射部との間の反射域とを有し、
    前記第1の反射部は前記低コヒーレンス光を透過し、前記第2の反射部は前記特定の光周波数成分のみを透過する請求項1〜5のいずれか一項に記載の計測システム。
  7. 前記ファブリーペロー共振器は、第1の光誘導路が設けられる第1の取り付け部と、第2の光誘導路が設けられる第2の取り付け部とを有し、前記第1の取り付け部を介して前記低コヒーレンス光源に接続され、前記第2の取り付け部を介して前記計測器に接続され、
    前記第1の光誘導路は前記低コヒーレンス光源からの前記低コヒーレンス光を前記第1の反射部に誘導し、前記第2の光誘導路は前記第2の反射部を透過した前記特定の光周波数成分を前記計測器に誘導する請求項6に記載の計測システム。
  8. 低コヒーレンス光源と計測器とに接続されるファブリーペロー共振器であって、
    前記低コヒーレンス光源に接続される第1の取り付け部と、
    前記計測器に接続される第2の取り付け部と、
    周波数に関して離散的な光透過帯域を持ち、前記低コヒーレンス光源からの低コヒーレンス光を受光して特定の光周波数成分のみを透過する光共振部とを備えるファブリーペロー共振器。
  9. 低コヒーレンス光源から低コヒーレンス光を射出するステップと、
    周波数に関して離散的な光透過帯域を持つファブリーペロー共振器に、前記低コヒーレンス光を入射して特定の光周波数成分を前記ファブリーペロー共振器から射出するステップと、
    前記ファブリーペロー共振器から射出した前記特定の光周波数成分を使用して計測を行うステップとを含む計測方法。
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